CN108988725B - 一种采用改进复矢量pi控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统及方法，属于电机控制技术领域。所述永磁同步电机电流谐波抑制系统和方法将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联，使改进复矢量PI控制器输出量

分别与PI控制器的输出

相叠加，得到新的q轴和d轴电压指令

以达到控制q轴和d轴电流中交流分量，抑制电流谐波的目的。

Description

一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制 系统及方法

技术领域

本发明涉及一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统及方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度高、效率高、可靠性高等特点，在电力传动、电动汽车、数控机床和航空航天等各种功率场合得到了广泛应用。但由于逆变器非线性及电机反电势波形非正弦等因素，导致绕组电流中含有5、7、11、13次等低频次谐波，引起电机转矩波动和损耗增加，使系统的控制性能变差。为此，可以从电机优化设计、控制算法改进两个方面抑制电流谐波。从控制角度抑制电流谐波无需重新设计电机和增加额外硬件，仅需要修改控制算法，谐波抑制效果好。复矢量比例积分(Proportional integral，PI)控制器在中心频率处具有无穷大增益，被用于电网频率固定且波动范围小的并网逆变器中抑制电流谐波。但在调速控制的永磁同步电机系统中，随着转速的变化与波动，电流频率发生变化，复矢量PI控制对于谐波抑制的效果变差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明对复矢量PI控制进行改进，并用于永磁同步电机系统中进行电流谐波的抑制，目的在于解决转速变化和波动时传统复矢量PI控制器对电流谐波抑制效果差的问题，改善永磁同步电机系统的控制性能。

一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统，所述永磁同步电机电流谐波抑制系统包括永磁同步电机矢量控制系统和若干个改进复矢量PI控制器；所述永磁同步电机矢量控制系统包括速度控制器1、q轴电流控制器2、d轴电流控制器3、Park逆变换4、空间矢量PWM5、三相逆变器6、永磁同步电机7、Clarke变换8、Park变换9、位置传感器10以及位置和速度计算单元11；所述若干个改进复矢量PI控制器并联在所述q轴电流控制器2和d轴电流控制器3上。

进一步地，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率；ω_c为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。

进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：

其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制系统中的位置传感器经过差分运算得到。

进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：

当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为12ω。其中ω为转子电角速度。

进一步地，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：

进一步可表示为：

其中，

分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δi_q为q轴电流偏差；Δi_d为d轴电流偏差。

一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，所述方法包括：

步骤一：将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联；

步骤二：将q轴电流偏差Δi_q和d轴电流偏差Δi_d输入到改进复矢量PI控制器中，经过改进复矢量PI控制器处理获得q轴和d轴电压输出量

步骤三：将所述改进复矢量PI控制器输出的q轴和d轴电压输出量

分别与q轴电流PI控制器和d轴电流PI控制器输出的电压量

相叠加，获得得到新的q轴和d轴电压指令

步骤四：通过所述q轴和d轴电压指令

控制q轴和d轴电流中交流分量以抑制电流谐波。

进一步地，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率；ω_c为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。

进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：

其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制系统中的位置传感器经过差分运算得到。

进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：

当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为12ω。其中ω为转子电角速度。

进一步地，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：

进一步可表示为：

其中，

分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δi_q为q轴电流偏差；Δi_d为d轴电流偏差。

本发明有益效果：

本发明提出了一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统及方法，通过引入改进复矢量PI控制器，实现了对谐波电流的跟踪控制，从而抑制电流谐波，提高了永磁同步电机系统的控制性能。与传统复矢量PI控制器相比，改进复矢量PI控制器增加了控制器带宽，适应于转速的调节和波动，改善了电流谐波抑制的效果。

附图说明

图1为永磁同步电机矢量控制系统框图。

图2为本发明采用改进复矢量PI控制器的电流环结构图。

图3为复矢量PI控制器与PI控制器的频率特性。

图4为本发明改进复矢量PI控制器的频率特性。

图5为本发明改进复矢量PI控制器的结构图。

图6为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流波形。

图7为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流谐波成分。

图8为采用本发明电流抑制策略之前的电机d、q轴电流。

图9为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流波形。

图10为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流谐波成分。

图11为采用本发明电流抑制策略之后的电机d、q轴电流。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统，如图1所示，所述永磁同步电机电流谐波抑制系统包括永磁同步电机矢量控制系统和若干个改进复矢量PI控制器；所述永磁同步电机矢量控制系统包括速度控制器1、q轴电流控制器2、d轴电流控制器3、Park逆变换4、空间矢量PWM5、三相逆变器6、永磁同步电机7、Clarke变换8、Park变换9、位置传感器10以及位置和速度计算单元11；所述若干个改进复矢量PI控制器并联在所述q轴电流控制器2和d轴电流控制器3上，所述系统为速度和电流双闭环结构，外环为转速环，内环为矢量解耦下的dq轴(d轴是电机中的直轴，q轴是交轴)电流环。

图2为本发明采用改进复矢量PI控制器的电流环结构图。本发明所述采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法及系统，是在传统矢量控制系统基础上，将改进复矢量PI控制器12与q轴电流PI控制器2、d轴电流PI控制器3相并联，输入量为q轴电流偏差Δi_q和d轴电流偏差Δi_d，输出量

分别与PI控制器的输出

相叠加，得到新的q轴和d轴电压指令

以达到控制q轴和d轴电流中交流分量，抑制电流谐波的目的。

图3为复矢量PI控制器与PI控制器的频率特性。PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；s为拉普拉斯算子。PI控制器在0Hz处具有无穷大增益，因此可以实现直流量的无静差控制。复矢量PI控制器是在PI控制器的基础上，将中心频率由0移到ω₀，得到传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率。s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。

当ω₀>0时，复矢量PI控制器对正序矢量中的交流量具有无穷大增益，从而实现其无静差控制；当ω₀<0时，复矢量PI控制器对负序矢量中的交流量具有无穷大增益，从而实现其无静差控制。但复矢量PI控制器仅在中心频率ω₀处具有无穷大增益，在中心频率外增益迅速下降，因此对于频率变化较大的信号控制效果不佳。

图4为本发明的改进复矢量PI控制器的频率特性。它是指传统复矢量PI控制器的基础上，加入截止频率ω_c，从而增加了控制器带宽，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率；ω_c为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。参数k_p、k_i和ω_c的选取应考虑电机的转速波动。

从改进复矢量PI控制器的频率特性可知，与传统复矢量PI控制器相比，改进复矢量PI控制器在中心频率ω₀附近均具有较大的增益，从而可以对频率波动的交流信号进行跟踪控制。

永磁同步电机中的绕组电流谐波主要表现为6k±1(k为自然数)次，其中以5、7、11、13次含量较高。6k±1次电流谐波转换到dq坐标系下表现为±6k次，因此，为抑制这些谐波，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：

其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制系统中的位置传感器经过差分运算得到。

其中，针对电流中含有5、7、11、13次等低频次谐波，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：

当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为12ω。其中ω为转子电角速度。

图5为本发明的改进复矢量PI控制器的结构图。所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：

进一步可表示为：

其中，

分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δi_q为q轴电流偏差；Δi_d为d轴电流偏差。

图6为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流波形。受逆变器开关死区和管压降等非线性因素影响，电机相电流出现畸变，波形的正弦形变差。

图7为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流谐波成分。根据对电机相电流谐波成分的分析，相电流中含有较高的5、7次谐波。

图8为采用本发明电流抑制策略之前的电机d、q轴电流。由于相电流中含有5、7次谐波，在dq坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q表现出6次波动。

图9为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流波形。采用改进复矢量PI控制器进行电流谐波抑制后，电机相电流的正弦度提高。

图10为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流谐波成分。采用改进复矢量PI控制后，相电流中的5、7次谐波含量大幅度降低。

图11为采用本发明电流抑制策略之后的电机d、q轴电流。与抑制之前相比，谐波抑制后d、q轴电流的波动幅值明显降低。

从图6至图11的波形对比来看，采用本发明的电流谐波抑制策略后，永磁同步电机的电流谐波得到了较好的抑制。

实施例2

一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，所述方法包括：

步骤一：将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联；

步骤二：将q轴电流偏差Δi_q和d轴电流偏差Δi_d输入到改进复矢量PI控制器中，经过改进复矢量PI控制器处理获得q轴和d轴电压输出量

步骤三：将所述改进复矢量PI控制器输出的q轴和d轴电压输出量

分别与q轴电流PI控制器和d轴电流PI控制器输出的电压量

相叠加，获得得到新的q轴和d轴电压指令

步骤四：通过所述q轴和d轴电压指令

控制q轴和d轴电流中交流分量以抑制电流谐波。

所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率；ω_c为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。

所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：

其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制系统中的位置传感器经过差分运算得到。

其中，针对电流中含有5、7、11、13次等低频次谐波，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：

当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为12ω。其中ω为转子电角速度。

所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：

进一步可表示为：

其中，

分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δi_q为q轴电流偏差；Δi_d为d轴电流偏差。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制系统，其特征在于，所述永磁同步电机电流谐波抑制系统包括永磁同步电机矢量控制系统和若干个改进复矢量PI控制器；所述永磁同步电机矢量控制系统包括速度控制器(1)、q轴电流控制器(2)、d轴电流控制器(3)、Park逆变换(4)、空间矢量PWM(5)、三相逆变器(6)、永磁同步电机(7)、Clarke变换(8)、Park变换(9)、位置传感器(10)以及位置和速度计算单元(11)；所述若干个改进复矢量PI控制器并联在所述q轴电流控制器(2)和d轴电流控制器(3)上，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率；ω_c为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。

2.根据权利要求1所述永磁同步电机电流谐波抑制系统，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：

其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度；当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电机的电角速度ω由永磁同步电机矢量控制系统中的位置传感器经过差分运算得到。

3.根据权利要求1或2所述永磁同步电机电流谐波抑制系统，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：

当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为12ω；其中ω为转子电角速度。

4.根据权利要求1所述永磁同步电机电流谐波抑制系统，其特征在于，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：

进一步可表示为：

其中，

分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δi_q为q轴电流偏差；

Δi_d为d轴电流偏差。

5.一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联；

步骤二：将q轴电流偏差Δi_q和d轴电流偏差Δi_d输入到改进复矢量PI控制器中，经过改进复矢量PI控制器处理获得q轴和d轴电压输出量

步骤三：将所述改进复矢量PI控制器输出的q轴和d轴电压输出量

分别与q轴电流PI控制器和d轴电流PI控制器输出的电压量

相叠加，获得得到新的q轴和d轴电压指令

步骤四：通过所述q轴和d轴电压指令

控制q轴和d轴电流中交流分量以抑制电流谐波，

所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：

其中，k_p为比例系数；k_i为积分系数；ω₀为中心角频率；ω_c为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。

6.根据权利要求5所述一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：

其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度；当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制系统中的位置传感器经过差分运算得到。

7.根据权利要求5或6所述一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：

当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω₀设置为12ω；其中ω为转子电角速度。

8.根据权利要求5所述一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：

进一步可表示为：

其中，

分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δi_q为q轴电流偏差；Δi_d为d轴电流偏差。

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